汽车制动器制动热应力及温度场分析

汽车制动器制动热应力及温度场分析
周鑫美;杨蔓;刘向征;申苗;奚源
【摘要】以热分析理论为基础,建立了汽车盘式制动器“热-固”耦合模型.在此基础上,模拟分析了循环制动工况下,制动盘的瞬态温度场分布及热应力结果,提出了制动盘的优化改进方向.
【期刊名称】《汽车零部件》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】制动盘;“热-固”耦合;热分析
【作者】周鑫美;杨蔓;刘向征;申苗;奚源
【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434
【正文语种】中文
Abstract:Based on the theory of thermal analysis, the analysis model coupled thermal and structure of brake disc was established. And then, the distributions of temperature and stress caused by heat of brake disc, which happened on the cyclic brake condition, were analyzed. At last, the
optimization measures were also proposed.
Keywords:Brake disc; Thermal-structure coupling; Thermal analysis
制动系统是汽车的一个重要组成部分，直接影响着汽车的安全性。

随着高速公路的迅猛发展和汽车保有量的日益增多，交通事故不断增加。

据有关统计资料调查显示：在由于车辆本身问题而造成的交通事故中，由制动系统引起的事故占到总数的45%，而制动系统故障主要表现为“制动效能热衰退”及“制动器疲劳破坏”[1]。

因此，对制动器制动过程中的“温度场”及“热应力”进行分析，详细了解其温度及应力分布，继而对制动器散热及强度性能进行合理设计，具有重要意义。

文中以某自主研发项目中的制动器设计为例，详细介绍了汽车盘式制动器“热-固”耦合模型的建立方法，阐述了制动盘瞬态温度和热应力分布的有限元分析过程，提出了制动盘的优化改进方向。

汽车制动器制动是一个高度非线性的“热-固”耦合过程，包含热生成、热分配、
热传导、热对流等复杂问题。

(1)热生成理论。

制动过程中，摩擦盘和摩擦片之间的摩擦是制动盘和制动片的主要热生成来源。

根据Friedrich等人的研究，当摩擦副高速相对滑动时，其摩擦能量可近似全部转化为热能，并作用于摩擦副的真实接触点处[2]。

其接触点处单位
面积内的热载荷公式为：
q(r,θ,t)=μ·p(r,θ,t)·v(r,t)
式中：q(r,θ,t)为热流密度，W/(m2·s) ；
μ为接触点处的摩擦因数；
p(r,θ,t)为摩擦副接触压强,MPa；
v(r,t)为相对滑动速度,m/s。

(2)热分配理论。

摩擦热在摩擦界面间的热分配与两摩擦表面的材料密度ρ、热传
导系数k、比热容c有关，其热流分配系数为：
r==
故作用于制动盘上的热流密度为：
q(r,θ,t)p=q(r,θ,t)×
(3)热对流理论。

热对流是指固体的表面与周围流体之间由于温度差而进行的热量交换。

由于制动盘和制动片是直接暴露在空气当中且存在温度差，制动盘以及摩擦片与周围空气存在热对流现象,其模拟图见图1。

制动器循环制动中的热对流包括制动时候的受迫对流散热和制动停止时候的自然对流散热[3]。

制动时对流换热系数与周边气流的流体特征有关，而气流流体特征由雷诺数确定：当雷诺数Re≤2.4×105时，气流特征为层流；当雷诺数Re>2.4×105时，气流特征变为紊流[4]。

文献[4]给出盘式制动器制动时对流换热的经验公式，如下：
式中: h为对流换热系数，W/(m2·K)；
ka为空气热传导系数，W/(m·K)；
D为制动盘的外直径，m；
Re为雷诺数。

雷诺数Re与流体的密度ρa、黏度ua及流速va有关。

对于制动过程中制动器周边空气，其雷诺数公式为：
Re=ω·R·ρa·d0/ua
式中：ω为制动盘角速度，rad/s；
R为轮胎滚动半径，m；
ρa为空气密度，kg/m3；
d0为特征长度，m；
ua为空气动力黏度，N·s/m2。

由文献[5]查得：ka=0.027 6 W/(m·K)，ρa=1.13 kg/m3，ua=1.90×10-5
2.1 制动器热-固耦合分析计算模型概述
忽略制动管路、制动液压缸等附属结构，在非线性有限元软件ABAQUS中建立制动器“热-固”耦合分析模型，如图2所示。

制动盘采用六面体网格离散，网格类型为C3D8T，单元数量7 638。

制动盘材料为HT250，材料参数如表1—2所示。

2.2 边界条件及载荷工况
(1)分析工况。

文中模拟的是汽车高强度循环制动工况：汽车制动初速度100
km/h,以4.87 m/s2的减速度匀减速制动至停车，制动时间5.7 s，制动停止并散热30 s后，又以同样初速度、减速度制动至停车。

总共10次制动循环，共计时间357 s。

(2)边界条件。

定义制动器及外界空气初始温度25 ℃。

(3)载荷。

循环制动工况制动盘“角速度-时间”曲线如图3所示。

制动盘制动片间的相对滑动速度v(r,t)随着制动循环的进行呈周期性变化。

以第一个制动循环为例，其表达式为：
式中: t为时间，s；
r为距离制动盘圆心距离，m。

制动过程中制动盘制动片间滑动摩擦因数μ取为经验值0.38，接触压强p(r,θ,t)为实测值16.326 MPa。

以第一个制动循环为例，由公式(1)、公式(3)、公式(6)可推导出作用于制动盘上的热流密度为：
制动过程中，制动器不仅存在热输入，还存在热耗散，这部分热量主要通过与周边空气以热对流的形式予以输出。

制动时制动器表面的流体状态可近似为紊流状态，取制动停止时候的自然对流换热系数20 W/(m2·K)，以第一个制动循环为例，对流换热系数为：
(1)温度场分析结果。

随着制动循环的进行，制动盘的温度云图如图4所示。

由图4可以看出，随着制动循环的进行，制动盘温度逐渐升高并呈如下特点：制
动盘表面温度于径向存在明显梯度，温度以制动盘与制动片摩擦区域为最高点，分别向外围迅速扩散；制动盘温度基本以制动盘中心轴旋转对称，即同一半径周向上不同节点间的温度基本一致。

以制动盘表面外沿一节点为例，制动盘“温度-时间”关系如图5所示。

由以上“温度-时间”关系曲线可以看出：随着“制动-停止-制动”循环的进行，
制动盘经历着“吸热-散热-吸热”的循环过程；“温度-时间”关系曲线呈“升高-降低-升高”锯齿状爬升，最高温度达到643 ℃，10次高强度制动循环终止后，
温度仍有573 ℃。

(2)热应力分析结果。

物体温度改变时，由于外在约束及内部各部分之间的相互作用，使其不能完全自由胀缩而产生的应力称作热应力。

由前文温度场分析结果可知，制动盘高强度循环制动工况，其温度可在短短几分钟内迅速由初始温度25 ℃上升至600多摄氏度，且其温度在径向和轴向不均等分布，再加上制动盘安装螺栓孔位置相对固定，所以制动盘的受热膨胀非完全自由胀缩，存在较大热应力。

制动盘应力云图如图6所示。

制动盘“最大应力-时间”关系曲线如图7所示。

由以上“最大应力-时间”关系曲线可以看出：随着“制动-停止-制动”循环的进行，“最大应力-时间”关系曲线呈“升高-降低-升高”锯齿状爬升，最大应力出
现于第10次制动停止时刻，大小为362 MPa，已接近材料屈服极限400 MPa。

2.4 优化改进
由以上温度场及热应力分析结果可以看出：该制动盘结构不尽合理，它在高强度循环制动工况中制动升温较快，散热不良，由此产生的热应力最大达到了362 MPa，
已接近材料屈服极限400 MPa，在如此高的热应力作用下，该制动盘的结构强度
和制动效率将存在较高失效风险。

制动盘及其周边结构的形态、制动盘材料的热力学性能对制动盘温度场及热应力的结果影响很大。

因此可以从以上几个方面对制动盘温度场及热应力予以改善，具体如下：
(1)改进制动盘材料，选用热传导性能好、比热容大、线膨胀系数小的材料。

(2)考虑散热好的结构形态，增加制动盘的通风面积，如选用通风盘式制动器，见
图8。

(3)改进制动盘周边流场：改善轮罩结构，引导底盘气流冷却制动盘。

汽车制动器作为汽车安全的“护航员”，在汽车安全设计中有着举足轻重的地位。

制动器制动过程中的散热及强度性能既是制动器设计的重点，又是制动器设计中的难点。

文中结合某项目的实际研发需要，通过有限元仿真技术对制动器循环制动工况的“热-固”耦合问题进行计算，可在项目概念设计阶段即对制动器相关性能予以预判，继而针对性地予以改善。

与以往经验设计相比，该方法具有准确、快速、节约成本等优势，对制动器制动过程的散热及结构强度性能设计具有指导意义。

今年的夏天和往年一样，火辣辣的太阳尽情挥洒热情。

在这如常的夏季里，时不时的一场暴雨带来了一阵阵清凉。

车市和天气一样，进入夏季后市场和往年同期一样，人流有些许减少，但今年上半年与往年还有些不同，少了些喧嚣多了一份平静，价格战迹象也不明显。

平静的背后有限购的影子，也有购买力下降的烙印，多重因素作用下一线市场已进入成熟期。

上半年国内汽车市场的重头戏非北京车展莫属，有大量新车型上市，而且行业风向标作用更加明显。

和往届北京车展不同，本届车展小型SUV扎堆，有统计称今年
将有近20款小型SUV上市。

可以预见，小型SUV市场在未来几年内将成为竞争最为激烈的市场之一。

和小型SUV风风火火不同，今年车市价格波动不太明显，价格战未有大规模上演，而且各款车型的优惠幅度也比较稳定。

究其根源，首先在北京这样的一线城市，升级换购比例增加，购车理念相对成熟，价格在够车决策中作用虽然明显，但产品品质的影响力增加，价格作用被弱化；其次，在限购等作用下，市场的物理容量一定，过多的价格战将利润消耗怠尽，经销商无力可图，也就选择了稳定价格策略；第三，经过多年的发展，汽车销售环节微利甚至亏损的现象已十分明显，已无多少降价空间。

其实，稳定的价格不但是健康市场的基石，可以提升品牌形象，也能提高二手车保值率，从而有效维系现有客户。

从目前形势看，下半年还将保持这一相对稳定的趋势，不会有较大的价格波动。

在价格稳定的大背景下是自主品牌销量的再度走低，特别是部分城市限购大幅压缩了自主品牌的生存空间，而合资品牌产品价格继续下探，对自主品牌的打击更为严重。

汽车之家分析数据显示：今年前4个月，自主品牌乘用车销量占乘用车销售
比例分别是25%、25%、24%和24%，而去年12月，这一比例为29%。

去年同期的数字分别为28%、27%、26%和26%。

两组数据对比可以很明显地看出，自主品牌的境况日渐艰难。

与销售比例下降同步，销量也呈下降趋势，去年12月自主品牌单月销售在5万多辆，而今年前4个月最高的月份才4万辆出头，2月份
仅3万多辆。

【相关文献】
【1】陈友飞，李亮，杨财，等.制动器热分析有限差分仿真模型的研究[J].汽车工程，2012(34)：234-240.
【2】 Friedrich K，Flock J，Va′ radi K,etal.Numerical and finite e lement contact and thermal analysis of real composite_steel surfaces in sliding contact[J].Wear,1999，
225:368-379.
【3】杨强,谭南林.列车制动盘温度场和应力场仿真与分析[D].北京：北京交通大学，2009. 【4】全国汽车标准化委员会.GB 12676-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法[S]．北京：国家机械工业局，1999．
【5】吴倩斯，万里翔.汽车盘式制动器热—结构耦合仿真分析[D].重庆：西南交通大学，2011.。